1 principios de funcionamiento
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La electrónica de potencia se refiere al control y conversión de energía eléctrica mediante dispositivos semiconductores que funcionan como interruptores. Sus principales tareas son rectificar, convertir de CA a CC, de CC a CA y de CA a CA. Los convertidores electrónicos incluyen rectificadores, inversores, fuentes de alimentación conmutadas y cicloconvertidores. Los dispositivos semiconductores como SCR, MOSFET e IGBT se usan comúnmente como interruptores estáticos en estos circuitos de conversión de energía.
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- 1. TECSUP - PFR Electrónica de Potencia I 1 Unidad I PPRRIINNCCIIPPIIOOSS DDEE FFUUNNCCIIOONNAAMMIIEENNTTOO 1. INTRODUCCIÓN A LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA 1.1 DEFINICIÓN Con el término de Electrónica de Potencia se refiere al control y conversión de la energía eléctrica por medio de dispositivos semiconductores de potencia que trabajan como interruptores. Con la llegada de los Rectificadores Controlados de Silicio (SCR), se empezó a desarrollar una nueva área de aplicación llamada Electrónica de Potencia. Previamente a la introducción de los SCRs, los rectificadores de arco de mercurio eran usados para controlar la energía eléctrica, pero su campo de aplicación era limitado. Una vez que los SCRs y otros dispositivos de potencia tales como los transistores MOSFET e IGBT salieron al mercado, el área de aplicación se esparció a muchos campos. Ver figura 1. Figura 1.1 Aplicaciones de los dispositivos de potencia. (Cortesía de Powerex, Inc.)
- 2. Electrónica de Potencia I TECSUP - PFR 2 En la figura 1.1 se observa que en el plan futuro de desarrollo de nuevos dispositivos de potencia se tiene la tendencia a incrementar el rango de potencia a controlar (mayores niveles de voltaje y corriente que puedan soportar) así como ha incrementar la velocidad de operación de los mismos, logrando de este modo reducir el tamaño de los equipos (filtros más pequeños). 1.2 PRINCIPALES TAREAS DE LA ELECTRÓNICA DE POTENCIA La Electrónica de Potencia tiene aplicaciones a lo amplio de todo el campo de los sistemas eléctricos de potencia, con un rango de potencia de estas aplicaciones extendiéndose desde unos cuantos VA/Wats a muchos MVA/MW. La tarea principal de la Electrónica de Potencia es controlar y convertir la energía eléctrica de una forma a otra. Las cuatro principales formas de conversión son: • Rectificación referida a la conversión de voltaje AC a voltaje DC. • Conversión DC a AC. • Conversión DC a DC. • Conversión AC a AC. 2. CONVERTIDORES ELECTRÓNICOS DE POTENCIA Es el término que se usa para referirse a un circuito electrónico que convierte voltaje y corriente de una forma a otra. Estos convertidores pueden clasificarse como: • Rectificador, que convierte voltaje AC a voltaje DC. • Inversor, que convierte voltaje DC a Voltaje AC. • Chopper o Fuente de Alimentación Conmutada, que convierte voltaje DC a voltaje DC. • Cicloconvertidor, que convierte voltaje AC a voltaje AC. En suma, los SCRs y otros dispositivos de potencia son usados como interruptores estáticos. 2.1 RECTIFICACIÓN Los rectificadores convierten voltaje AC en voltaje DC. Pueden ser clasificados como “controlados” y “no controlados”, y los rectificadores controlados pueden ser luego divididos en “semi- controlados” y “totalmente controlados”. Los rectificadores no controlados son implementados con diodos, y los rectificadores totalmente controlados son implementados con SCRs.
- 3. TECSUP - PFR Electrónica de Potencia I 3 Ambos, diodos y SCRs son usados en circuitos rectificadores semi- controlados. Ventrada = VAC (valor constante) Vsalida = VDC (valor constante) RECTIFICADOR NO CONTROLADO + - Ventrada = VAC (valor constante) Vsalida = VDC (valor variable) RECTIFICADOR CONTROLADO + - Figura 1.2 Hay algunas configuraciones de circuitos rectificadores. Los más populares son: • Puente rectificador monofásico semi-controlado. • Puente rectificador monofásico totalmente controlado. • Tres fases tres pulsos, rectificador conectado en estrella. • Doble tres fases tres pulsos, rectificador de tres pulsos conectado en estrella con transformador inter-fase (IPT). • Puente rectificador trifásico semi-controlado. • Puente rectificador trifásico totalmente controlado. • Doble tres fases puente rectificador totalmente controlado con IPT. También hay rectificadores de 12 pulsos conectados en serie para aplicaciones de gran potencia de salida. El rango de potencia de un rectificador monofásico tiende a ser menor a 10 kW. Los puentes rectificadores trifásicos son usados para desarrollar grandes potencias de salida, hasta 500kW a 500VDC o aún más. Para aplicaciones de bajos voltajes y grandes corrientes, se usan un par de rectificadores trifásicos, tres pulsos interconectados con transformador IPT. Para grandes corrientes de salida, son preferidos los rectificadores
- 4. Electrónica de Potencia I TECSUP - PFR 4 con IPT para conectar dispositivos directamente en paralelo. Hay muchas aplicaciones para rectificadores. Algunos son: • Variadores de velocidad de motores DC. • Cargadores de batería. • Fuentes de alimentación DC para aplicaciones como electro-plateado. 2.2 CONVERTIDOR DC-AC El convertidor que cambia voltajes DC a voltaje alternado es llamado Inversor. Al; comienzo los inversores eran implementados con SCRs. Debido a que los circuitos necesarios para apagar los SCRs eran muy complejos, actualmente se usan otros dispositivos semiconductores de potencia tal como los transistores bipolares (BJT), MOSFET de potencia, transistores de compuerta aislada (IGBT) y los tiristores controlados por MOS (MCTs). Comúnmente, sólo los inversores con un gran rango de potencia, tal como 500kW o mayores, son implementados con SCRs o tiristores apagados por compuerta (GTOs). Existen muchos circuitos inversores y las técnicas para controlarlos varían en complejidad. Ventrada = VDC (valor constante) Vsalida = VAC (valor variable) INVERSOR + - ó MOSFET IGBT Figura 1.3 Algunas de las aplicaciones de los inversores son: • Sistemas de luces de emergencia. • Variadores de velocidad de motores AC. • Fuentes de alimentación ininterrumpidas (UPS). • Convertidores de frecuencia.
- 5. TECSUP - PFR Electrónica de Potencia I 5 2.3 CONVERTIDOR DC-DC Cuando se usaban los SCRs, un circuito convertidor DC-DC era llamado Chopper. Hoy en día, los SCR son poco usados en convertidores DC-DC. En su lugar se usan los transistores de potencia y los circuitos convertidores DC-DC son llamados Fuentes de alimentación conmutadas. Ventrada = VDC (valor constante) Vsalida = VDC (valor variable) FUENTE CONMUTADA + - ó MOSFET IGBT + - Figura 1.4 A continuación tenemos los siguientes tipos: • Fuente de alimentación conmutada Step-down. • Fuente de alimentación conmutada Step-Up. • Convertidor Fly-back. • Convertidor resonante. Algunas de las aplicaciones de las fuentes de alimentación conmutadas son: • Variador de velocidad de motor DC. • Cargador de baterías. • Fuente de alimentación DC. 2.4 CONVERTIDOR AC-AC Un cicloconvertidor o cicloinversor convierte voltaje AC, en otro voltaje AC. La amplitud y la frecuencia del voltaje de entrada al cicloconvertidor tiende a ser fijo, mientras que la amplitud y el voltaje de salida tiende a ser variable. De otro modo, el circuito que convierte voltaje AC a otro voltaje AC de igual frecuencia es conocido como Chopper-AC. Ventrada = VAC (valor constante) Vsalida = VAC (valor variable) CICLOCONVERTIDOR + - Figura 1.5
- 6. Electrónica de Potencia I TECSUP - PFR 6 Una aplicación típica del cicloconvertidor es usarlo para controlar la velocidad de un motor AC de tracción de gran potencia, del orden de unos cuantos MW y se usan los SCRs para implementar dichos circuitos. Debe notarse que el uso de cicloconvertidores no es tan común como los inversores y son raramente usados. 3. OBSERVACIONES ADICIONALES A LA ELECTRONICA DE POTENCIA La mayor cantidad de circuitos de potencia hacen uso intensivo de inductores y capacitores. En muchas aplicaciones de electrónica de potencia, un inductor puede recibir una gran corriente a alta frecuencia. Las implicancias de operar un inductor de dicha manera, hacen necesario el empleo de cables con acabados especiales, así como núcleos apropiados para limitar las pérdidas respectivas y evitar también la interferencia electromagnética. Usualmente los capacitores usados en electrónica de potencia son muy robustos, pues son operados a alta frecuencia y con corrientes de pico pasando a través del mismo periódicamente. Esto significa que el rango de trabajo de los capacitores a la frecuencia de operación debe ser chequeado antes de su uso. En muchos circuitos de electrónica de potencia, los diodos cumplen un rol crucial. Un diodo de potencia normal es diseñado para ser operado a frecuencias menores a 400Hz. La mayoría de inversores y fuentes de alimentación conmutadas son operadas a frecuencias muy altas y por lo tanto se debe usar diodos de conmutación rápida. El análisis de los circuitos electrónicos de potencia tiende a ser complicado, a causa de que estos circuitos raramente trabajan en estado estable. Tradicionalmente la respuesta en estado estable se refiere al estado del circuito caracterizado por su respuesta en DC y respuesta senoidal. La mayoría de los circuitos electrónicos de potencia tienen respuesta periódica, pero dicha respuesta no es senoidal. Desde que la respuesta no es senoidal, es necesario efectuar el análisis de armónicos. La electrónica de potencia tiene naturaleza interdisciplinaria. Para diseñar y construir circuitos de control de una aplicación de electrónica de potencia, se necesita conocimientos de algunas áreas tal como se lista líneas abajo: • Diseño de circuitos electrónicos analógicos y digitales. • Microcontroladores y procesadores de señales digitales para su uso en aplicaciones sofisticadas. • Muchos circuitos electrónicos de potencia tienen una máquina eléctrica como carga. En los variadores de velocidad de motor AC, pueden ser motores de reluctancia, motores asíncronos o motor síncrono. En un variador de velocidad de motor DC, son usados los motores DC tipo shunt.
- 7. TECSUP - PFR Electrónica de Potencia I 7 • En los circuitos inversores, un transformador puede conectarse a la salida y tener que trabajar con voltajes no senoidales. • Los transformadores de pulso con núcleo de ferrita son usados para transferir la señal de disparo al dispositivo semiconductor de potencia. Transformadores con núcleo de ferrita de gran potencia de salida es también usado en aplicaciones tal como inversores de alta frecuencia. • Muchos sistemas electrónicos de potencia son operados con realimentación negativa. Un controlador lineal tal como el PI es usado en aplicaciones relativamente simples, mientras que controladores basados en circuitos digitales o técnicas de realimentación de estado variable son usados en aplicaciones mas sofisticadas. • Los simuladores por computadora son muy usados para optimizar el diseño de los sistemas electrónicos de potencia. El estudio de la Electrónica de Potencia es una experiencia excitante pues su campo de aplicación crece día a día. Los nuevos dispositivos que ingresan al mercado, sustancialmente desarrollan su trabajo en aplicaciones de Electrónica de Potencia.
- 8. Electrónica de Potencia I TECSUP - PFR 8 ANOTACIONES: ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ ................................................................................................................................